بررسي اثرات حرارتي بر گسترش شكست هيدروليكي و پاسخ مدل عددي

Investigating the thermal effects on hydraulic fracturing propagation and response of numerical models

در بسياري از زمينه هاي ژيومكانيك از جمله شكست هيدروليكي در مخازن نفت و گاز عميق، استخراج انرژي زمين گرمايي صرف نظر از اثرات گرمايي مي تواند موجب خطاي قابل ملاحظه در نتايج شود. بهره برداري و انگيزش مخازن نفت و گاز نامتداول بشدت وابسته به كارآيي عمليات شكست هيدروليكي (HF) اجرا شده در چاه استخراجي است. در اين عمليات شبكه اي از شكستگي ها ايجاد مي شود كه وظيفه افزايش هدايت پذيري سازند مخزني اطراف چاه را بر عهده دارد. اين شكستگي ها موجب افزايش جريان و دبي سيال به درون چاه بخصوص در مخازن با نفوذپذيري پايين مي شوند. درك صحيح و كامل رفتار HF و شكستگي هاي ايجاد شده و رابطه آنها با ميزان افزايش بهره وري موجب كاهش هزينه هاي سنگين عمليات شكست هيدروليكي مي شود. در اين پژوهش اثرات گرمايي بصورت كوپل بر گسترش شكست هيدروليكي بررسي مي شود. براي اينكار از روش عددي ناپيوستگي جابجايي (DDM) از زيرمجموعه هاي روش هاي المان مرزي استفاده شده است. ابتدا اثرات حرارتي بر يك مدل ترموالاستيك با وجود يك منبع حرارتي بررسي شد. مدلسازي هاي انجام شده نشان داد كه مرزهاي مدل هندسي در تحليل هاي عددي حرارتي بايد بسيار فراتر از مدلسازي صرفا مكانيكي باشد، چرا كه اثرات حرارتي تا عمق زيادي از محل منبع حرارتي قابل پيگيري است. در ادامه مدلسازي شكست هيدروليكي تحت اثرات دمايي نشان داد كه استفاده از سرمايش مخزن مي تواند در گسترش شكست هيدروليكي بسيار مفيد باشد. سرمايش سازند اطراف چاه موجب افزايش دهانه شكست ايجاد شده مي شود كه ارتباط مستقيم با هدايت پذيري شكستگي ها دارد و عاملي مهمي در موفقيت عمليات HF است. همچنين با استفاده از سرمايش محيطي، مي توان با فشاري كمتر از فشار مورد نياز براي غلبه بر فشار شكست به گسترش شكست هيدروليكي پرداخت. اين عامل نيز موجب كاهش هزينه هاي اجرايي براي تهيه پمپ هاي قوي و اعمال فشار كمتر بر تاسيسات درون چاهي و سر چاهي مي شود.

Ignoring thermal effects in many applications of geomechanics including hydraulic fracturing of deep oil and gas reservoirs and geothermal energy extraction may result in significant errors in output. Production and stimulation of unconventional oil and gas reservoirs is highly dependent on performance of hydraulic fracturing (HF) jobs. These jobs create a network of fractures which are responsible for elevated hydraulic conductivity of the reservoir formation around the wellbore. The fractures increase inflow of hydrocarbons into the wellbore especially in low permeability reservoirs. A sound understanding of HF’s behavior and its relation to the increased production rate, decreases high costs of HF jobs. Thermal effects on HF propagation and mechanism are studied in this paper using the displacement discontinuity method. Firstly, the thermal effects on a thermoelastic model with a thermal source was studied. Models showed that boundaries of the geometrical model should be place farther from what was expected in elastic analyses to avoid boundary effects. The thermal effects were observed far away from the thermal source in the models.Then, thermal effects on a hydraulic fracture was modeled. It was shown that using a cold fluid for HF can decrease the required HF pressure for propagation. The HF width was also increased compared to an elastic model. This is an important parameter in determining hydraulic conductivity of the formation. The lower required pressure for HF propagation reduces the cost of equipment needed for the job, since they are not required to work at very high pressures.